NĂNG LUONG SINH HOC 1

1
Chuyên đề
ATP- ĐỒNG TIỀN NĂNG LƯỢNG HOÀN HẢO CỦA
TẾ BÀO
GV hướng dẫn: PGS.TS. VÕ VĂN TOÀN
Học viên thực hiện: Phạm Nguyễn Ý Ý
Lớp: SHTN K16
2
ATP- ĐỒNG TIỀN NĂNG LƯỢNG HOÀN HẢO CỦA
TẾ BÀO
Phân tử tiền tệ năng lượng chính của tế bào - ATP, được đánh giá trong thuyết sáng tạo. Phân tử phức tạp này có vai trò quyết định đối với tất cả các hoạt động sống từ đơn giản đến phức tạp nhất. Đây chỉ là một trong hàng triệu cỗ máy nano vô cùng phức tạp cần phải được tạo ra để duy trì sự sống trên Trái Đất. Phân tử này là một ví dụ tuyệt vời của sự phức tạp tối giản bởi nó hoàn toàn cần thiết để sự sống tồn tại ngay cả ở những hình thức sống đơn giản nhất.
3
Nội dung
Phần mở đầu
ATP chuyển giao năng lượng như thế nào?
ATP- ĐỒNG TIỀN NĂNG LƯỢNG HOÀN HẢO CỦA
TẾ BÀO
Cấu trúc của ATP
Chức năng của ATP
ATP được sản xuất như thế nào?
Một gói năng lượng kép
Thông tin về phân tử
Sự khác nhau giữa sv nhân sơ và sv nhân chuẩn trong xản xuất ATP
Lục lạp
4
PHẦN MỞ ĐẦU
Để thực hiện được chức năng, mỗi máy cần có các bộ phận cụ thể như ốc vít, lò xo, cam, bánh răng, và ròng rọc. Tương tự như vậy, tất cả các máy sinh học phải có nhiều bộ phận được thiết kế để làm việc. Ví dụ các đơn vị được gọi là các cơ quan như gan, thận và tim. Các đơn vị sống phức tạp này được tạo nên từ các đơn vị nhỏ hơn gọi là tế bào mà trong đó có các cấu trúc nhỏ được gọi là bào quan. Bào quan trong tế bào bao gồm các ty thể, phức hệ Golgi, các vi ống, và trung thể. Thậm chí dưới mức này là các bộ phận khác rất nhỏ, đó là các đại phân tử (các phân tử lớn).
5
PHẦN MỞ ĐẦU
Một đại phân tử cực kỳ quan trọng, được coi là " quan trọng thứ hai sau ADN" chính là ATP. ATP là một máy nano phức tạp, nó phục vụ như là đồng tiền năng lượng cơ bản của tế bào (Trefil, 1992, tr.93). Một máy nano là một máy có độ chính xác hiển vi phức tạp, phù hợp với định nghĩa tiêu chuẩn của một máy. ATP là "hợp chất cao năng phân bố rộng rãi nhất trong cơ thể con người" (Ritter, 1996, tr. 301). Phân tử phổ biến này được "sử dụng để tổng hợp các phân tử phức tạp, co cơ, dẫn truyền xung thần kinh và phát sáng ở đom đóm. Tất cả các nguồn nhiên liệu thiên nhiên, tất cả các thực phẩm của sinh vật sống, sản xuất ATP, cần cho mọi hoạt động của tế bào và cơ thể. Hãy tưởng tượng trao đổi chất sẽ bị rối loạn nếu như: Mỗi loại thực phẩm riêng biệt tạo ra những tiền tệ năng lượng đặc trưng khác nhau và mỗi hoạt động chức năng của tế bào sẽ phải sử dụng tiền tệ năng lượng đặc thù cho nó "(Kornberg, 1989, tr. 62.).
6
PHẦN MỞ ĐẦU
ATP là viết tắt của adenosine triphosphate - một phân tử phức tạp có chứa adenosine nucleoside và một đuôi bao gồm ba nhóm phosphate.
7
Mô hình cấu trúc của ATP
8
PHẦN MỞ ĐẦU
Theo nghiên cứu, tất cả các sinh vật từ vi khuẩn đơn giản nhất đến người đều sử dụng ATP như đồng tiền năng lượng chính. Mức năng lượng mà nó mang như là số tiền phải trả cho hầu hết các phản ứng sinh học. Các chất dinh dưỡng có chứa năng lượng trong các liên kết hóa trị năng lượng thấp nhưng lại không hữu ích cho hầu hết các hoạt động trong tế bào.
Những liên kết có năng lượng thấp này phải được chuyển thành liên kết cao năng, đây là một vai trò của ATP. Một nguồn cung cấp ổn định ATP quan trọng đến nỗi nếu một chất độc tấn công vào bất kỳ protein nào được sử dụng trong sản xuất ATP có thể giết chết cơ thể trong vài phút. Ví dụ một số hợp chất cyanua là những chất độc hại vì chúng liên kết với các nguyên tử đồng trong cytochrome oxidase. Liên kết này ngăn cản hệ thống vận chuyển điện tử trong ty thể, nơi diễn ra quá trình sản xuất ATP (Goodsell, 1996, tr.74).
9
ATP CHUYỂN GIAO NĂNG LƯỢNG NHƯ THẾ NÀO?
Năng lượng thường được giải phóng từ các phân tử ATP để hoạt động trong các tế bào bằng phản ứng loại bỏ một trong các nhóm phosphate-oxy, tạo thành adenosine diphosphate (ADP).
Khi chuyển từ ATP thành ADP, ATP được cho là đã giải phóng năng lượng. Sau đó, thường thì các ADP ngay lập tức tái chế trong các ty thể, nơi nó được cung cấp năng lượng và tái tạo thành ATP.
Theo nghiên cứu của Trefil (1992, tr.93) "liên kết và phá vỡ liên kết với nhóm phosphate cuối cùng [trên ATP] giữ vai trò trong toàn bộ quá trình hoạt động"
10
ATP CHUYỂN GIAO NĂNG LƯỢNG NHƯ THẾ NÀO?
11
ATP CHUYỂN GIAO NĂNG LƯỢNG NHƯ THẾ NÀO?
Sự chuyển hóa của ATP
12
ATP CHUYỂN GIAO NĂNG LƯỢNG NHƯ THẾ NÀO?
Một số lượng lớn các hoạt động xảy ra bên trong khoảng một trăm nghìn tỷ tế bào của con người được thực hiện bởi thực tế tại bất kỳ mỗi tế bào chứa khoảng một tỷ phân tử ATP. Số tiền tệ này đủ cho nhu cầu của tế bào chỉ trong một vài phút và phải được tái chế nhanh chóng. Với hàng trăm nghìn tỷ tế bào trung bình ở nam, khoảng 1023 hoặc 1036 phân tử ATP thường tồn tại trong cơ thể. Đối với mỗi ATP "phosphate cuối cùng được thêm vào và lấy ra 3 lần mỗi phút" (Kornberg, 1989, tr. 65).

13
ATP CHUYỂN GIAO NĂNG LƯỢNG NHƯ THẾ NÀO?
Tổng số hàm lượng ATP trong cơ thể con người chỉ khoảng 50 gram và phải liên tục được tái chế mỗi ngày. Nguồn năng lượng cuối cùng để xây dựng ATP là thực phẩm; ATP chỉ đơn giản là phần tử mang và dự trữ năng lượng. Mức tiêu thụ trung bình hàng ngày của 2.500 calo thực phẩm chuyển thành một con số khổng lồ 180 kg (400 lbs) của ATP (Kornberg, 1989, tr.65).
14
CẤU TRÚC CỦA ATP
ATP gồm thành phần purine adenine và đường ribose liên kết nhau tạo thành nucleoside adenosine
Các nguyên tố cơ bản được sử dụng để xây dựng ATP là carbon, hydro, nitơ, oxy, phốt pho và được lắp ráp trong một phức hợp có chứa số lượng các bộ phận dưới nguyên tử tương đương hơn 500 nguyên tử hydro. Một liên kết este phosphate và hai liên kết anhydride phosphate giữ ba nhóm phốt phát (PO4) và ribose nhau. Cấu trúc ATP còn chứa một liên kết glycoside b-N để liên kết ribose và adenine với nhau.
15
CẤU TRÚC CỦA ATP
Phốt phát được biết là những phân tử cao năng, có nghĩa là một mức năng lượng lớn sẽ được giải phóng khi nhóm phosphate được loại bỏ. Trên thực tế, hàm lượng năng lượng cao không phải là kết quả của việc đơn giản chỉ là liên kết phosphate mà là tổng số tương tác của tất cả các nguyên tử trong phân tử ATP.
Bởi vì năng lượng được giải phóng khi liên kết phosphate bị bẻ gãy là cần thiết cho các phản ứng sinh học điển hình, rất ít năng lượng bị lãng phí.
16
CẤU TRÚC CỦA ATP
Nói chung, ATP được kết nối với một phản ứng - một quá trình được gọi là khớp nối, có nghĩa là hai phản ứng xảy ra cùng một lúc và ở cùng một vị trí, thường sử dụng các phức hợp enzyme tương tự. Sự giải phóng phosphate từ ATP là sự tỏa nhiệt (một phản ứng tỏa ra nhiệt) và các phản ứng mà nó được kết nối đến là sự thu nhiệt (phản ứng yêu cầu đầu vào năng lượng để xảy ra). Sau đó, nhóm phosphate cuối cùng được chuyển giao bằng cách thủy phân, quá trình này được gọi là phosphoryl hóa, tạo thành ADP, phosphate (Pi) và năng lượng.
17
CẤU TRÚC CỦA ATP
Hệ thống tự điều chỉnh của ATP đã được mô tả như sau:
Các liên kết cao năng của ATP thực sự là những liên kết không bền vững. Năng lượng của ATP dễ dàng được giải phóng khi ATP bị thủy phân trong các phản ứng của tế bào. Lưu ý rằng ATP là một tác nhân năng lượng-khớp nối chứ không phải nhiên liệu. Nó không phải là kho dự trữ năng lượng dành cho một số nhu cầu trong tương lai. Thay vào đó, nó được sản xuất bởi tập hợp các phản ứng và gần như ngay lập tức được tiêu thụ bởi các phản ứng khác. ATP được hình thành khi cần thiết, chủ yếu do quá trình oxy hóa trong ty thể. Oxy không được sử dụng trừ khi ADP và một phân tử phosphate có sẵn, những thành phần này không trở thành có sẵn cho đến khi ATP được thủy phân bởi một số quá trình tiêu thụ năng lượng. Do đó quá trình chuyển hóa năng lượng chủ yếu là tự điều tiết (Hickman, Roberts, và Larson, 1997, tr.43).
18
CẤU TRÚC CỦA ATP
ATP không phải là quá không bền vững, nhưng nó được thiết kế để sự thủy phân của nó diễn ra chậm chạp khi vắng mặt của một chất xúc tác. Điều này đảm bảo cho năng lượng dự trữ của nó "chỉ được giải phóng với sự có mặt của các enzyme thích hợp" (McMurry và Castellion, 1996, tr. 601).
19
CHỨC NĂNG CỦA ATP
ATP được sử dụng cho nhiều chức năng của tế bào bao gồm cả vận chuyển các chất qua màng tế bào. Nó cũng được sử dụng cho hoạt động của cơ, cung cấp năng lượng cần thiết cho sự co cơ. Nó không chỉ cung cấp năng lượng cho cơ tim (cho lưu thông máu) và cơ xương (đối với chuyển động cơ thể), mà còn để các nhiễm sắc thể và roi có thể thực hiện nhiều chức năng của mình. Một vai trò quan trọng của ATP là trong hoạt động hóa học, cung cấp năng lượng cần thiết để tổng hợp hàng ngàn loại đại phân tử mà các tế bào cần để tồn tại.
20
CHỨC NĂNG CỦA ATP
21
CHỨC NĂNG CỦA ATP
22
CHỨC NĂNG CỦA ATP
Chức năng thực hiện công hóa học của ATP
23
CHỨC NĂNG CỦA ATP
ATP cũng được sử dụng như một công tắc (khởi động và kết thúc) để kiểm soát các phản ứng hóa học và truyền thông tin. Hình dạng của các chuỗi protein tham gia cấu trúc và các cấu trúc khác được sử dụng trong quá trình sống chủ yếu được xác định bởi các liên kết hóa học yếu, dễ dàng bị phá vỡ và tái tạo. Những chuỗi này có thể rút ngắn, kéo dài, và thay đổi hình dạng để đáp ứng với sự thu nhận hoặc giải phóng năng lượng. Những thay đổi trong chuỗi dẫn đến thay đổi hình dạng của các protein và cũng có thể làm thay đổi chức năng của nó hoặc làm cho nó trở thành một trong hai dạng: hoạt động hoặc không hoạt động.
24
CHỨC NĂNG CỦA ATP
Phân tử ATP có thể liên kết với một phần của một phân tử protein, làm cho một phần khác của phân tử tương tự trượt hoặc di chuyển một chút để thay đổi cấu tạo của nó, bất hoạt phân tử. Loại bỏ ATP làm cho protein trở về hình dạng ban đầu của nó, và do đó phục hồi lại chức năng. Chu kỳ có thể được lặp đi lặp lại cho đến khi các phân tử được tái chế, phục vụ hiệu quả như một công tắc bật và tắt (Hoagland và Dodson, 1995, tr.104). Cả hai cách là thêm một phospho (phosphoryl hóa) và loại bỏ một phospho từ một protein (dephosphorylation) có thể phục vụ như một công tắc tắt hoặc mở.
25
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
ATP được tạo ra là kết quả của nhiều quá trình trong tế bào, bao gồm cả quá trình lên men, hô hấp và quang hợp. Phổ biến nhất là các tế bào sử dụng ADP như phân tử tiền chất và sau đó thêm một photpho vào nó. Ở sinh vật nhân thực, quá trình này có thể xảy ra trong phần hòa tan trong tế bào chất (cytosol) hoặc trong các cấu trúc sản xuất năng lượng đặc biệt gọi là ty thể.
26
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
Sự dung nạp ADP để tạo ATP trong ty thể được gọi là phosphoryl hoá thẩm thấu. Quá trình này xảy ra trong các vị trí cấu trúc đặc biệt nằm ở màng trong của ty thể.
27
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
Sự dung nạp ADP để tạo ATP trong ty thể được gọi là phosphoryl hoá thẩm thấu. Quá trình này xảy ra trong các vị trí cấu trúc đặc biệt nằm ở màng trong của ty thể.
28
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
Ty thể có khả năng tự tạo ra một gradient điện thế - phần nào giống như một pin bằng cách tích lũy các ion hydro trong không gian giữa hai lớp màng. Năng lượng này xuất phát từ khoảng 10.000 chuỗi enzyme trong các túi trên màng của ty thể. Hầu hết năng lượng thực phẩm đối với hầu hết các cơ thể được sản xuất bởi chuỗi vận chuyển electron. Quá trình oxy hóa tế bào trong chu trình Krebs gây ra sự tích lũy electron và được sử dụng để đẩy các ion H+ ra ngoài qua màng trong ty thể (Hickman et al., 1997, tr. 71).
29
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
Khi tích điện, nó cung cấp một hiệu điện thế để giải phóng năng lượng của mình bằng cách gây ra một dòng ion hydro qua màng trong vào không gian bên trong. Năng lượng giúp cho một enzyme được gắn vào ADP, xúc tác bổ sung một phospho thứ ba để tạo thành ATP. Thực vật cũng có thể sản xuất ATP theo cách này trong ty thể của chúng nhưng thực vật còn có thể sản xuất ATP bằng cách sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời trong lục lạp. Ở động vật nhân chuẩn, năng lượng từ thực phẩm được chuyển thành pyruvate và sau đó thành acetyl coenzyme A (acetyl CoA). Acetyl CoA đi vào chu trình Krebs để giải phóng năng lượng và kết quả là việc chuyển đổi ADP trở thành ATP.
30
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
Làm thế nào để khác biệt về điện thế này dẫn đến lắp lại phốt phát trên các phân tử ADP? Các proton có nhiều hơn trong một khu vực, chúng càng đẩy nhau. Khi lực đẩy đạt đến một mức độ nhất định, các ion hydro bị loại ra khỏi cấu trúc như cửa xoay gắn trên màng trong ty thể được gọi là phức hợp ATP synthase. Những cấu trúc enzyme này giúp lắp lại phốt phát trên các phân tử ADP, một lần nữa hình thành ATP.
31
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
ATP synthase xoay giống như một bánh xe nước phân tử, khai thác dòng chảy của các ion hydro để xây dựng các phân tử ATP. Mỗi vòng quay của bánh xe đòi hỏi năng lượng của khoảng 9 ion hydro trở vào không gian bên trong ti thể (Goodsell, 1996, tr.74).
Nằm trên ATP synthase là ba vị trí hoạt động, mỗi vị trí thực hiện chuyển đổi ADP thành ATP với mỗi vòng quay của bánh xe. Trong điều kiện tối đa, bánh xe ATP synthase quay với tốc độ lên đến 200 vòng mỗi giây, sản xuất 600 ATP.
32
ATP ĐƯỢC SẢN XUẤT NHƯ THẾ NÀO?
ATP được sử dụng kết hợp với các enzyme giúp cho các phân tử nhất định liên kết với nhau. Các cảng đầu tiên của phân tử chính xác tại trung tâm hoạt động của các enzyme cùng với một phân tử ATP. Enzyme xúc tác chuyển giao một trong những phốt phát của ATP đến phân tử, bằng cách chuyển sang phân tử đó, năng lượng được lưu trữ trong các phân tử ATP. Tiếp theo, một cảng phân tử thứ hai gần trung tâm hoạt động thứ hai trên enzyme. Phosphate sau đó được chuyển giao cho nó, cung cấp năng lượng cần thiết để liên kết hai phân tử gắn liền với enzyme. Một trong số đó được liên kết, phân tử mới được tạo thành. Hoạt động này tương tự như sử dụng một khuôn cơ khí để đúng vị trí hai miếng kim loại sau đó hàn lại với nhau. Mỗi lần hàn, chúng được tạo ra như một đơn vị và quá trình sau đó có thể lặp lại.
33
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Mặc dù ATP chứa năng lượng cần thiết cho hầu hết các phản ứng, tuy nhiên mức năng lượng trong ATP nhiều hơn là cần thiết. Giải pháp làm cho ATP giải phóng hai nhóm phốt phát thay vì một, tạo một adenosine monophosphate (AMP) cộng với một chuỗi của hai phốt phát gọi là pyrophosphate. Làm thế nào để adenosine monophosphate được tổng hợp thành ATP lần nữa minh họa chính xác và sự phức tạp của hệ thống năng lượng tế bào. Các enzym được sử dụng trong đường phân, chu trình acid citric, và các hệ thống vận chuyển điện tử, tất cả đều chính xác rằng chỉ có thể thay thế một phosphate đơn. Chúng không thể thêm hai phốt mới cho một phân tử AMP để tạo thành ATP.
34
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Giải pháp là một enzyme phức tạp gọi là adenylate kinase truyền một phosphate duy nhất từ ATP đến AMP, tạo hai phân tử ADP. Sau đó, hai phân tử ADP có thể nhập vào chu trình Krebs bình thường được thiết kế để chuyển đổi ADP thành ATP. Adenylate kinase đòi hỏi một nguyên tử magiê và điều này là một trong những lý do tại sao chế độ ăn uống đủ magiê là quan trọng.
Adenylate kinase là một enzyme có tổ chức cao nhưng nhỏ gọn với trung tâm hoạt động nằm sâu bên trong phân tử. Các trung tâm hoạt động sâu là cần thiết vì các phản ứng xúc tác cho nó rất nhạy cảm với nước. Nếu các phân tử nước tồn tại giữa ATP và AMP, sau đó các phosphate có thể phá vỡ ATP thành ADP và phosphate tự do thay vì chuyển một phosphate từ ATP đến AMP để tạo thành ADP.
35
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Để ngăn chặn điều này, adenylate kinase được thiết kế sao cho trung tâm hoạt động ở phần cuối của một kênh sâu trong cấu trúc bao quanh AMP và ATP, tránh phản ứng với nước. Nhiều enzyme khác có sử dụng ATP dựa trên hệ thống này để ẩn trung tâm hoạt động của chúng, phòng ngừa phản ứng không phù hợp xảy ra. Hệ thống này đảm bảo rằng chỉ chất thải được tìm thấy là phần tổn hại bình thường, nước mắt, phần sửa chữa và thay thế của các bào quan trong tế bào.
Pyrophosphates và Axit pyrophosphoric, cả hai dạng photpho vô cơ này cũng phải được chia nhỏ để chúng có thể được tái chế. Sự phân chia phosphate này được thực hiện bởi các enzyme pyrophosphatase, chia pyrophosphate thành hai phốt phát tự do, có thể được sử dụng để tổng hợp ATP (Goodsell, 1996, tr.79).
36
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Hệ thống này mang lại hiệu quả đáng ngạc nhiên, nó hầu như không tạo ra chất thải và thật đáng kinh ngạc khi xem xét cấu trúc vô cùng chi tiết của nó. Goodsell (1996, trang 79) cho biết thêm rằng "máy sản xuất năng lượng của chúng ta được thiết kế để sản xuất ATP: Nhanh chóng, hiệu quả, và với số lượng lớn".
Phân tử mang năng lượng chính của cơ thể sử dụng là ATP, nhưng các nucleotide chứa nhiều năng lượng khác cũng được sử dụng như thymine, guanine, uracil, và cytosine để tạo ARN và ADN. Chu trình Krebs chỉ nạp năng lượng cho ADP, nhưng năng lượng có trong ATP có thể được chuyển giao cho một trong các nucleoside khác nhờ enzyme nucleoside diphosphate kinase. Enzyme này chuyển phosphate từ một nucleoside triphosphate, thường là ATP, đến một nucleoside diphosphate như guanosine diphosphate (GDP) để tạo thành guanosine triphosphate (GTP).
37
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Nucleoside diphosphate kinase hoạt động bằng một trong sáu trung tâm hoạt động của nó gắn kết triphosphate nucleoside và giải phóng phosphate có gắn với một histidine. Sau đó, các nucleoside triphosphate, mà bây giờ là một diphosphate, được giải phóng và một nucleoside diphosphate khác liên kết với vị trí tương tự, kết quả là các photphat liên kết với enzyme được chuyển giao, tạo thành một triphosphate mới. Rất nhiều enzym khác nhau tồn tại để ATP truyền năng lượng của nó đến những nơi cần thiết khác nhau. Mỗi enzyme phải được thiết kế đặc biệt để thực hiện các chức năng độc đáo của nó và hầu hết các enzyme này rất quan trọng cho sức khỏe và cuộc sống.
38
MỘT GÓI NĂNG LƯỢNG KÉP
Các cơ thể có chứa một số enzyme linh hoạt, đôi khi sự sống vẫn có thể diễn ra khi thiếu một trong số những enzyme này, nhưng người đó thường là khuyết tật. Ngoài ra, cơ chế sao - lưu đôi khi tồn tại để cơ thể có thể tạo được các sản phẩm tương tự thông qua một con đường sinh hóa thay thế. Những ví dụ đơn giản đã minh họa cho các khái niệm về tổ chức thiết kế nên cơ thể. Chúng cũng chứng minh sự phức tạp rất lớn của cơ thể và các quá trình sinh hóa của nó.
39
THÔNG TIN CỦA PHÂN TỬ
Nếu không có ATP, cuộc sống như chúng ta hiểu không thể tồn tại. Đó là một phân tử được thiết kế hoàn hảo, có vai trò quan trọng trong việc cung cấp các gói năng lượng thích hợp cho hàng ngàn các phản ứng xảy ra ở tất cả các hình thức của sự sống. Ngay cả virus cũng dựa trên một phân tử ATP giống như được sử dụng ở người. Hệ thống năng lượng ATP nhanh chóng, hiệu quả cao, nhanh được tái tạo, và có thể nhanh chóng đáp ứng với những thay đổi về nhu cầu năng lượng (Goodsell, 1996, tr.79).
Hơn nữa, phân tử ATP vô cùng phức tạp và chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu về cách thức hoạt động của nó. Mỗi phân tử ATP là hơn 500 đơn vị khối lượng nguyên tử (500 AMU). Trong điều kiện sản xuất, phân tử ATP là một bộ máy với mức độ tổ chức được nghiên cứu hiển vi hay một tiêu chuẩn truyền hình (Darnell, Lodish, và Baltimore, 1996).
40
THÔNG TIN CỦA PHÂN TỬ
Trong số các câu hỏi mà thuyết tiến hóa phải trả lời bao gồm những điều sau đây: "Làm thế nào mà cuộc sống tồn tại trước khi có ATP?", "Làm thế nào sự sống có thể tồn tại khi không có ATP vì không có dạng sống nào mà chúng ta biết ngày nay có thể làm được điều đó?" Và "ATP đã tiến hóa như thế nào và ở đâu nhiều có hình thức chuyển tiếp cần thiết để tiến hóa các phân tử ATP phức tạp?". Không có ứng cử viên khả thi nào tồn tại và không ai có thể tồn tại bởi vì chỉ có một phân tử ATP hoàn hảo đúng cách có thể thực hiện vai trò của nó trong tế bào.
41
THÔNG TIN CỦA PHÂN TỬ
Ngoài ra, một phân tử ứng cử viên ATP tiềm năng sẽ không được chọn để tiến hóa cho đến khi nó đã hoạt động và sự sống không thể tồn tại mà không có ATP hay một phân tử tương tự có các chức năng tương tự. ATP là một ví dụ của phân tử phức tạp không thể đơn giản hóa mà vẫn còn chức năng (Behe, 1996). ATP có thể đã được tạo ra chỉ như một đơn vị hoạt động ngay lập tức trong quá trình sống và điều này cũng đúng đối với những phân tử mang năng lượng phức tạp khác được sử dụng trong quá trình sống như GTP.
42
THÔNG TIN CỦA PHÂN TỬ
Mặc dù những phân tử mang năng lượng khác có thể được sử dụng cho các chức năng nhất định của tế bào, nhưng thậm chí không thể đến gần để thay thế thỏa đáng cho tất cả các chức năng của nhiều ATP. Hơn 100.000 phân tử chi tiết khác giống như ATP cũng đã được thiết kế để cho phép con người sống, và tất cả các vấn đề tương tự liên quan đến nguồn gốc của chúng tồn tại cho tất cả chúng. Nhiều đại phân tử chi tiết hơn so với ATP tồn tại, cũng như một số được tổ chức ít cao, để cho sự sống tồn tại tất cả trong số chúng phải hoạt động cùng nhau như một đơn vị.
43
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Một khoảng cách rất lớn tồn tại giữa tế bào nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn lam) và các tế bào nhân chuẩn (nguyên sinh vật, thực vật và động vật):
... sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn khác nhau một cách sâu sắc và đại diện rõ ràng là một sự đối lập rõ rệt trong sự tiến hóa của sự sống... Sự phức tạp về tổ chức của sinh vật nhân chuẩn lớn hơn nhiều so với các sinh vật nhân sơ và rất khó để hình dung làm thế nào một sinh vật nhân chuẩn có thể phát sinh từ bất kỳ sinh vật nhân sơ được biết đến (Hickman et al., 1997, tr. 39).
Một số khác biệt là tế bào nhân sơ thiếu các bào quan, bộ khung tế bào, và hầu hết các cấu trúc khác hiện diện trong các tế bào nhân chuẩn. Do đó, các chức năng của hầu hết các bào quan và các bộ phận siêu di động khác phải được thực hiện trong vi khuẩn bởi màng tế bào và các nếp gấp trên màng gọi là mêzôxôm.
44
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Một sự khác biệt quan trọng giữa sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn là cách thức mà chúng sử dụng để sản xuất ATP. Tất cả các cơ thể sống sản xuất ATP chỉ bằng ba phương pháp hóa học cơ bản: phosphoryl hóa oxy hóa, quang phosphoryl hóa, và phosphoryl hóa chất nền (Lim, 1998, tr.149). Ở sinh vật nhân sơ, ATP được sản xuất cả ở thành tế bào và trong tế bào chất của quá trình đường phân. Ở sinh vật nhân chuẩn, hầu hết ATP được sản xuất trong lục lạp (ở thực vật), hoặc trong ti thể (cả thực vật và động vật). Không có phương thức sản xuất ATP nào tồn tại trung gian giữa bốn phương pháp cơ bản và không có hình thức chuyển đổi nào được tìm thấy là có liên quan giữa bốn hình thức khác nhau trong sản xuất ATP. Các tổ chức cần thiết để sản xuất ATP rất phức tạp đến nỗi các virus không thể tạo ATP cho riêng chúng. Chúng đòi hỏi các tế bào sản xuất ATP và virus không có nguồn năng lượng ngoài tế bào.
45
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Trong màng tế bào sinh vật nhân sơ đảm bảo không chỉ nhu cầu chuyển đổi năng lượng của tế bào, mà còn chế biến dinh dưỡng, tổng hợp các phân tử cấu trúc và bài tiết nhiều enzym cần thiết cho quá trình sống sống (Talaro và Talaro, 1993, tr.77). Màng tế bào vì lý do này được so sánh với toàn bộ các siêu cấu trúc trong tế bào sinh vật nhân chuẩn đã thực hiện các chức năng này. Không có phương thức sản xuất ATP đơn giản nào được biết đến và ở sinh vật nhân sơ, không phải bởi bất kỳ phương thức đơn giản nào. Chúng chứa hơn 5.000 loại phân tử khác nhau và có thể sử dụng ánh sáng mặt trời, các hợp chất hữu cơ như carbohydrate, và các hợp chất vô cơ như nguồn năng lượng để sản xuất ATP.
46
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Một ví dụ khác về màng tế bào ở sinh vật nhân sơ giả định một chức năng của siêu cấu trúc trong tế bào nhân chuẩn như sau: ADN của chúng được nối vật lý tới các màng tế bào vi khuẩn và sao chép ADN có thể được khởi đầu bởi những thay đổi trong màng. Những thay đổi màng lần lượt liên quan đến sự phát triển của vi khuẩn. Hơn nữa, các mesosome xuất hiện để hướng dẫn các cơ quan nhân đôi nhiễm sắc thành hai tế bào con trong phân chia tế bào (Talaro và Talaro, 1993).
47
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Ở tế bào nhân chuẩn, ty thể sản xuất hầu hết ATP cho tế bào (đường phân kỵ khí cũng sản xuất một số) và ở thực vật, lục lạp cũng có thể thực hiện chức năng này. Ty thể sản xuất ATP trong hệ thống màng trong của chúng được gọi là cristae (nếp gấp trên màng trong ty thể). Do vi khuẩn thiếu ty thể, cũng như hệ thống nội màng nên chúng phải sản xuất ATP trong màng tế bào của chúng theo hai bước cơ bản. Màng tế bào vi khuẩn có chứa một cấu trúc độc đáo được thiết kế để sản xuất ATP và không có cấu trúc tương tự được tìm thấy trong bất kỳ tế bào nhân chuẩn nào (Jensen, Wright, và Robinson, 1997).
48
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Ở vi khuẩn, ATPase và chuỗi vận chuyển điện tử được đặt bên trong màng tế bào chất giữa các đuôi kỵ nước của màng phospholipid. Sự phân giải đường và các thực phẩm khác tạo ra các proton mang điện tích dương ở bên ngoài của màng tế bào, tích lũy đến một nồng độ cao hơn nhiều lần so với bên trong màng. Điều này tạo ra sự thừa điện tích dương trên mặt ngoài của màng tế bào và tích điện âm bên trong.
Kết quả của sự khác biệt này là sự phân ly các phân tử H2O thành các ion H + và OH-. Các ion H + được tạo ra và sau đó được vận chuyển ra bên ngoài của tế bào còn các ion OH- vẫn còn ở bên trong. Điều này tạo ra một gradient điện thế tương tự như sản xuất bởi sự nạp năng lượng đèn pin. Lực gradient điện thế tiềm năng được tạo ra gọi là một động lực proton, có thể thực hiện một loạt các nhiệm vụ linh động bao gồm cả chuyển đổi ADP thành ATP.
49
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
Trong một số vi khuẩn như Halobacterium hệ thống này được sửa đổi bằng cách sử dụng bacteriorhodopsin, một protein tương tự như các sắc tố Rhodopsin cảm giác sử dụng trong võng mạc của động vật có xương sống (Lim, 1998, tr.166). Sự chiếu sáng làm cho sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, thay đổi tạm thời Rhodopsin từ dạng trans sang dạng cis. Sự chuyển đổi dạng trans sang dạng cis gây khử proton và chuyển proton qua màng plasma với chất bao.
Kết quả của gradient proton được sử dụng để điều khiển tổng hợp ATP bằng cách sử dụng phức hợp ATPase. Sự thay đổi này cho phép vi khuẩn sống trong điều kiện oxy thấp nhưng vùng ánh sáng phong phú. Hệ thống sản xuất ATP kỵ khí này là duy nhất cho sinh vật nhân sơ, sử dụng một hợp chất hóa học khác với oxy như một chất nhận điện tử cuối (Lim, 1998, tr.168). Vị trí của hệ thống sản xuất ATP chỉ là một trong nhiều sự khác nhau lớn giữa màng tế bào vi khuẩn và ty thể.
50
SỰ KHÁC NHAU GIỮA SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN CHUẨN TRONG SẢN XUẤT ATP
51
LỤC LẠP
Lục lạp có màng kép ATP- là bào quan sản xuất ATP chỉ được tìm thấy ở thực vật. Bên trong lớp màng ngoài là hệ thống các màng mỏng được tổ chức thành các túi dẹt xếp chồng lên nhau như đồng tiền gọi là màng thylakoid. Các đĩa thylakoid có chứa sắc tố diệp lục, hấp thụ năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cuối cùng cho tất cả các nhu cầu của thực vật bao gồm tổng hợp carbohydrates từ carbon dioxide và nước (Mader, 1996, tr.75). Các lục lạp, đầu tiên chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong ATP, sau đó được sử dụng để sản xuất carbohydrate dự trữ và có thể được chuyển đổi trở lại thành ATP khi cần năng lượng.
52
LỤC LẠP
53
LỤC LẠP
Lục lạp cũng có một hệ thống vận chuyển điện tử để sản xuất ATP. Các electron đi vào hệ thống được lấy từ nước. Trong quá trình quang hợp, carbon dioxide được biến đổi thành một carbohydrate nhờ năng lượng thu được từ ATP (Mader, 1996, tr. 12). Các vi khuẩn quang hợp (cyanobacteria) chưa sử dụng một hệ thống khác. Cyanobacteria không sản sinh lạp lục nhưng sử dụng chất diệp lục gắn kết vào màng thylakoid tế bào chất. Một lần nữa, các hình thức chuyển đổi chính thức đã không bao giờ được tìm thấy có thể liên kết hình thức sản xuất ATP này với hệ thống quang hợp của lục lạp.
54
LỤC LẠP
Hai thuyết tiến hóa chung nhất về nguồn gốc của các hệ thống sản xuất ATP ty thể - lạp thể là :
1) Sự nội cộng sinh của ty thể và lục lạp từ các hệ thống màng vi khuẩn.
2) Sự tiến hóa dần dần của hệ thống màng tế bào prokaryote trong sản xuất ATP đến hệ thống ty thể và lục lạp.
Những người tin vào thuyết nội cộng sinh cho rằng ty thể là vi khuẩn từng sống tự do, và rằng "trong quá trình tiến hóa sớm của tổ tiên, tế bào nhân chuẩn đơn giản đã ăn các đối tác tương lai của chúng" (Vogel, 1998, tr.1633). Cả hai biến đổi dần dần và thuyết nội cộng sinh đòi hỏi nhiều hình thức chuyển tiếp, mỗi cái mới phải cung cấp cho các động vật một lợi thế cạnh tranh so với các loài động vật có không thay đổi gì.
55
LỤC LẠP
Nhiều sự khác nhau giữa sinh vật nhân sơ và nhân điển hình trong quá trình sản xuất ATP, một trong số đó đã được ghi nhận ở trên, đó là bằng chứng mạnh mẽ chống lại thuyết nội cộng sinh. Không có dạng trung gian nào để nối hai hệ thống này được tìm thấy và lập luận đưa ra để hỗ trợ thuyết này đều mang tính suy đoán cao. Những vấn đề khác gần đây đã trở nên rõ ràng hơn như là một kết quả của những thử thách lớn gần đây với thuyết nội cộng sinh chuẩn.
56
LỤC LẠP
Các thuyết chuẩn gần đây đã bị phản đối từ nhiều phía, và một số nhà nghiên cứu hiện đang tranh cãi cho một lý thuyết mới:
Các nhà khoa học suy nghĩ làm thế nào các tế bào phức tạp đầu tiên đến với nhau nói về những ý tưởng mới có thể giải quyết một số vấn đề dai dẳng với các thuyết hiện hành ... "[lý thuyết mới là] ... lập luận thanh lịch," Michael Gray của Đại học Dalhouisie ở Halifax, Nova Scotia nói, nhưng "có rất nhiều điều lạ lùng của những giả thuyết không được ghi chép". Trong hình ảnh tiêu chuẩn của sự tiến hóa ở sinh vật nhân chuẩn, ty thể là một biến cố may mắn. Đầu tiên, các tế bào tổ tiên có lẽ là một vi khuẩn cổ, phân tích di truyền gần đây cho thấy, có khả năng nuốt và tiêu hóa các phân tử phức tạp. Nó bắt đầu săn mồi trên các vi khuẩn kèm theo của nó.
57
LỤC LẠP
Tuy nhiên tại một số điểm, tế bào ăn thịt này không hoàn toàn tiêu hóa con mồi, một số tế bào thành công hơn nữa khi dùng một bữa ăn để dành đến trú ngụ lâu dài và trở thành các ty thể. Trong nhiều năm, các nhà khoa học nghĩ rằng họ đã có những ví dụ về các hậu duệ trực tiếp của những sinh vật nhân chuẩn nguyên thủy: nguyên sinh vật thiếu ty thể. Nhưng nghiên cứu mới đây về các gen trong các sinh vật cho thấy chúng cũng vậy, tồn tại ty thể thực sự nhưng mất chúng sau này (Science, ngày 12 tháng 9 năm 1997, tr. 1604). Những phát hiện này gợi ý rằng bằng cách nào đó có thể sinh vật nhân chuẩn đã thu được ti thể của chúng trước khi chúng tiến hóa khả năng nuốt và tiêu hóa các tế bào khác (Vogel, 1998, tr.1633).
58
Hiện nay, các nhà khoa học đã hiểu được làm thế nào để những phân tử có tổ chức cao hoạt động và lý do tại sao chúng cần thiết cho sự sống, nguồn gốc của chúng phải được giải thích. Chúng tôi biết chỉ có bốn phương pháp cơ bản để sản xuất ATP: trong thành tế bào vi khuẩn, trong tế bào chất nhờ quá trình quang hợp, trong lục lạp, và trong ty thể. Không có hình thức quá độ tồn tại để làm cầu nối giữa bốn phương pháp tiến hóa trên. Theo khái niệm của sự phức tạp tối giản, các tổ chức sản xuất ATP phải được tạo ra như các đơn vị chức năng và chúng không thể tiến hóa theo cơ chế học thuyết Darwin. Bất cứ điều gì ít hơn so với toàn bộ một phân tử ATP sẽ không hoạt động và một tổ chức sản xuất ít hơn sẽ hoàn toàn không thể sản xuất một ATP hoạt động. Một số người tin rằng lĩnh vực hóa sinh đã đạt được sự hiểu biết này đã làm sai lệch quan điểm về thế giới của Darwin (Behe, 1996).
KẾT LUẬN
59
The end